不同環境荷載下用碳纖維布加固的混凝土剛度與粘接性能分析

任兵戰

(中鐵房地產集團 華東有限公司,浙江 杭州 310011)

碳纖維布是以碳纖維為組分,以樹脂為基體,通過特殊加工技術加工后而生產出的一種纖維增強聚合物(FRP)[1],這種碳纖維布包含碳纖維材料、芳綸纖維材料等,不同種類的碳纖維布力學性能也各不相同,但是均廣泛應用于混凝土的加固工程之中。眾多研究者都嘗試探索提升混凝土結構性能的方法,有學者嘗試使用外加劑改變混凝土的性能,還有學者嘗試改變水灰比,提升混凝土結構的性能[2-3]。

研究嘗試使用碳纖維布對混凝土結構加固處理,利用環氧樹脂膠粘劑將碳纖維布與混凝土結構進行粘接傳力。當一層碳纖維布無法達到預期的加固性能時,采用雙層加固的方法,利用環氧樹脂膠粘劑來粘接碳纖維布與混凝土結構。并在不同荷載、不同環境下開展具體試驗,深入研究碳纖維布加固混凝土結構的粘接性能。

1 試驗材料與方法

1.1 材料與儀器設備

1.1.1材料

纖維增強聚合布:山東盛鵬建筑材料有限公司;環氧樹脂膠粘劑:河北宣海防腐材料有限公司;混凝土:廊坊哲航建筑材料有限公司;冰醋酸溶液:山西陽原神生物科技有限公司;碳酸鈉溶液:淮安長虹化工有限公司;氯化鈉溶液:上海雅葉生物科技有限公司。

1.1.2儀器設備

NTW疲勞試驗機:濟南華氏試驗機有限公司;LS300B液壓伺服試驗設備:山東魯功機械設備有限公司;水平液壓作動器:濟南恒樂科興儀器設備有限公司;DBD-15凍融循環試驗機:滄州昌志建筑儀器有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1加固方式與試件制備

依據實際建筑施工工程中的建筑形式以及常見混凝土結構,采用施工現場已經制備完成的混凝土材料澆筑制作數個2層2跨的混凝土結構框架試件,各個試件都在相同標準溫度、濕度環境中澆筑完成[12-14],同時在標準環境下養護28 d。

該混凝土結構包含多個梁柱節點,整體試件高3 m,長度為4 m,為滿足不同試驗條件需求,制作多個相同試件[15-17]。碳纖維布由碳纖維增強聚合布與樹脂2部分組成,2種材料的基本性能如表1所示。

表1 材料性能

碳纖維布加固混凝土結構的方式:

試件1:空白對照組,未包裹碳纖維布,純混凝土結構;

試件2:條帶形式包裹兩層碳纖維布,每個條帶之間間隔200 mm;試驗使用的膠粘劑為環氧樹脂膠粘劑,將碳纖維布與混凝土試件用環氧樹脂膠進行粘接。

試件3:兩層碳纖維布完全包裹混凝土,碳纖維布之間、碳纖維布與混凝土結構之間均依靠環氧樹脂膠粘劑進行粘接傳力,包裹后試件表面不存在縫隙[10]。

1.2.2性能測試

研究在荷載與環境的共同作用下碳纖維布加固混凝土的粘接性能及結構性能。

1)地震荷載下加固混凝土結構破壞形貌

使用液壓伺服試驗設備開展試驗,液壓千斤頂向試件的2個柱施加150 kN的豎向地震荷載,加載計算中的軸壓比選定為0.5,該軸壓比為恒定。利用水平液壓作動器向各個試件的頂部施加水平低周反復荷載。記錄不同循環次數下,試件受到破壞的程度。

2)凍融循環下加固混凝土粘接結構性能分析

裁剪各個試件,獲得各個試件的一部分,蒸餾水中靜置7 d確保各個試件中的水分接近飽和,將各個試件置于凍融循環試驗機開展快速凍融試驗,循環次數根據實際試驗需求確定,以GB/T 50082—2009為標準。每1 h凍融循環1次,冷凍溫度設定為-30 ℃,熔化溫度設定為28 ℃。使用液壓伺服試驗設備向各個試件施加荷載,統計并計算各個試件在不同凍融循環次數之下承載力的變化情況[11]。

3)腐蝕環境下加固混凝土粘接結構性能分析

使用質量分數5%冰醋酸溶液模擬的酸性環境,質量分數5%碳酸鈉溶液模擬的堿性環境,質量分數5%氯化鈉溶液模擬氯鹽環境,開展干濕循環試驗。將各個試件在各溶液中浸泡2 h后取出,室溫環境中干燥3.5 h,重復以上步驟數次,測試不同試件在不同干濕循環后的抗壓強度[12]。

2 試驗結果

2.1 地震荷載下加固混凝土破壞形貌結果

各試件的破壞形貌如圖1所示。

(a)試件1初次施加

由圖2(a)、(b)可知,試件1在初次地震荷載作用下就出現混凝土輕微脫落,且表面出現細小裂縫,地震荷載循環5次以后試件表面出現嚴重貫穿裂縫,且裂縫寬度較大,地震荷載加載過程中,試件框架發出較大聲響,表面混凝土脫落明顯。

圖2 凍融循環條件下各試件承載力

試件2在地震荷載循環10次時碳纖維布加固的位置未出現明顯破壞,只在未纏繞碳纖維布的間隔位置處出現少量混凝土脫落,地震荷載循環30次以后碳纖維布出現少量破損,但是碳纖維布下的混凝土沒有出現明顯斷裂或者裂縫情況,經試件表面出現混凝土脫落情況。

試件3地震荷載循環10次時,試件表面碳纖維布沒有出現明顯破損,荷載循環50次以后,試件表面包覆的碳纖維材料出現崩壞,但是碳纖維布下的混凝土結構沒有出現明顯破壞,因此使用碳纖維布完全包覆加固混凝土結構的方式能夠極大程度提升混凝土結構的抗震性能。

2.2 凍融循環下加固混凝土結構承載力分析結果

使用凍融試驗機驗證不同循環次數下各個試件的承載力變化情況,結果如圖2所示。

由圖2可知,各個試件受到凍融循環影響,承載力均呈現出較為顯著的下降趨勢,凍融次數越多,混凝土自身的抗壓強度越低,導致混凝土結構整體的承載力也發生下降。未經任何加固措施的試件1在凍融循環初期,試件承載力迅速下降,但是凍融循環中間階段,試件的承載力下降趨勢減緩,說明混凝土結構初期喪失大量承載力以后,后期達到一個適應值,因此承載力水平不再發生明顯變化。使用碳纖維布加固后的兩種試件盡管在凍融循環影響下,承載力也出現不同程度的喪失,但是這兩個試件受到碳纖維布粘接的加固保護,承載力的下降值較小,其中試件3使用碳纖維布全包覆混凝土結構,凍融循環初期承載力下降并不大,即使在長期凍融循環環境中,仍保持較高承載力,說明使用這種混凝土粘接加固方法能提升混凝土結構的耐久性與承載力。

2.3 腐蝕環境下加固混凝土結構性能分析結果

通過在不同腐蝕環境中干濕循環模擬沿海陸地區域海洋氣候環境下,混凝土結構經過加固后耐腐蝕性能,試驗結果如表2所示。

表2 腐蝕環境下抗壓強度

由表2可知,干濕循環次數不斷增多導致各個試件的抗壓強度不斷降低,其中試件1下降速度最快,酸性環境下干濕循環80次時,混凝土的抗壓強度只有27.88 MPa,不能實現混凝土的正常工作。試件3始終保持較高抗壓強度水平,無論何種環境之中,混凝土的抗壓強度始終未低于60 MPa,說明使用全包覆碳纖維布的加固方式能夠提升混凝土在海洋氣候環境中的耐腐蝕性能,使用壽命更長。

3 結語

以碳纖維布為加固原料,開展碳纖維布加固混凝土結構的具體試驗分析,從各個儀器實際試驗結果來看,使用碳纖維布完全包覆混凝土結構能夠提升混凝土結構整體的承載力、抗震、抗腐蝕性能,體現了環氧樹脂的粘接作用下碳纖維布較強的加固性能,將加固后的混凝土應用于沿海環境的橋梁、隧道、高層建筑結構之中,不但能夠提升使用壽命,同時還能優化混凝土結構,獲得更加良好的使用效果。